AOT编程

news2024/11/29 14:33:38

1. AOT与JIT

AOT：Ahead-of-Time（提前编译）：程序执行前，全部被编译成机器码

JIT：Just in Time（即时编译）: 程序边编译，边运行；

编译：

  • 源代码（.c、.cpp、.go、.java。。。） =编译= 机器码

语言：

  • 编译型语言：编译器
  • 解释型语言：解释器

1. Complier 与 Interpreter

Java：半编译半解释

在线编程网站：https://anycodes.cn/editor

img

对比项编译器解释器
机器执行速度快，因为源代码只需被转换一次慢，因为每行代码都需要被解释执行
开发效率慢，因为需要耗费大量时间编译快，无需花费时间生成目标代码，更快的开发和测试
调试难以调试编译器生成的目标代码容易调试源代码，因为解释器一行一行地执行
可移植性（跨平台）不同平台需要重新编译目标平台代码同一份源码可以跨平台执行，因为每个平台会开发对应的解释器
学习难度相对较高，需要了解源代码、编译器以及目标机器的知识相对较低，无需了解机器的细节
错误检查编译器可以在编译代码时检查错误解释器只能在执行代码时检查错误
运行时增强无可以动态增强

2. AOT 与 JIT 对比

AOT会牺牲高级语言的一些特性：反射，面向切面…

JITAOT
优点1.具备实时调整能力
2.生成最优机器指令
3.根据代码运行情况优化内存占用		1.速度快，优化了运行时编译时间和内存消耗
2.程序初期就能达最高性能
3.加快程序启动速度
缺点1.运行期边编译速度慢
2.初始编译不能达到最高性能		1.程序第一次编译占用时间长
2.牺牲高级语言一些特性

在 OpenJDK 的官方 Wiki 上，介绍了HotSpot 虚拟机一个相对比较全面的、 即时编译器（JIT） 中采用的优化技术列表。

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img

可使用：-XX:+PrintCompilation 打印JIT编译信息

3. JVM架构

.java === .class === 机器码

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JVM: 既有解释器，又有编辑器（JIT：即时编译）；

4. Java的执行过程

建议阅读：

  • 美团技术：https://tech.meituan.com/2020/10/22/java-jit-practice-in-meituan.html
  • openjdk官网：https://wiki.openjdk.org/display/HotSpot/Compiler

1. 流程概要

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jvm里面会判断一段代码是解释执行还是编译执行，如果是编译执行，就编译成机器码并且放到缓存里面，下次用到的时候，直接取；如果是解释执行，就直接解释执行，并且统计解释执行的次数，当次数达到某个阈值的时候，就触发编译，将机器码放在缓存中。

2. 详细流程

热点代码：调用次数非常多的代码

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5. JVM编译器

JVM中集成了两种编译器，Client Compiler 和 Server Compiler；

  • Client Compiler注重启动速度和局部的优化
  • Server Compiler更加关注全局优化，性能更好，但由于会进行更多的全局分析，所以启动速度会慢。

Client Compiler：

  • HotSpot VM带有一个Client Compiler C1编译器
  • 这种编译器启动速度快，但是性能比较Server Compiler来说会差一些。
  • 编译后的机器码执行效率没有C2的高

Server Compiler：

  • Hotspot虚拟机中使用的Server Compiler有两种：C2 和 Graal。
  • 在Hotspot VM中，默认的Server Compiler是C2编译器。

6. 分层编译

Java 7开始引入了分层编译(Tiered Compiler)的概念，它结合了C1和C2的优势，追求启动速度和峰值性能的一个平衡。分层编译将JVM的执行状态分为了五个层次。五个层级分别是：

  • 解释执行。
  • 执行不带profiling的C1代码。
  • 执行仅带方法调用次数以及循环回边执行次数profiling的C1代码。
  • 执行带所有profiling的C1代码。
  • 执行C2代码。

profiling就是收集能够反映程序执行状态的数据。其中最基本的统计数据就是方法的调用次数，以及循环回边的执行次数。

img

  • 图中第①条路径，代表编译的一般情况，热点方法从解释执行到被3层的C1编译，最后被4层的C2编译。
  • 如果方法比较小（比如Java服务中常见的getter/setter方法），3层的profiling没有收集到有价值的数据，JVM就会断定该方法对于C1代码和C2代码的执行效率相同，就会执行图中第②条路径。在这种情况下，JVM会在3层编译之后，放弃进入C2编译，直接选择用1层的C1编译运行。
  • 在C1忙碌的情况下，执行图中第③条路径，在解释执行过程中对程序进行profiling ，根据信息直接由第4层的C2编译。
  • 前文提到C1中的执行效率是1层>2层>3层，第3层一般要比第2层慢35%以上，所以在C2忙碌的情况下，执行图中第④条路径。这时方法会被2层的C1编译，然后再被3层的C1编译，以减少方法在3层的执行时间。
  • 如果编译器做了一些比较激进的优化，比如分支预测，在实际运行时发现预测出错，这时就会进行反优化，重新进入解释执行，图中第⑤条执行路径代表的就是反优化。

总的来说，C1的编译速度更快，C2的编译质量更高，分层编译的不同编译路径，也就是JVM根据当前服务的运行情况来寻找当前服务的最佳平衡点的一个过程。从JDK 8开始，JVM默认开启分层编译。

存在的问题：

  • java应用如果用jar，解释执行，热点代码才编译成机器码；初始启动速度慢，初始处理请求数量少。
  • 大型云平台，要求每一种应用都必须秒级启动。每个应用都要求效率高。

希望的效果：

  • java应用也能提前被编译成机器码，随时急速启动，一启动就急速运行，最高性能

  • 编译成机器码的好处：

    • 另外的服务器还需要安装Java环境
    • 编译成机器码的，可以在这个平台 Windows X64 直接运行。

2. GraalVM

官网：https://www.graalvm.org/

GraalVM是一个高性能的JDK，旨在加速用Java和其他JVM语言编写的应用程序的执行，同时还提供JavaScript、Python和许多其他流行语言的运行时。

GraalVM提供了两种运行Java应用程序的方式：

    1. 在HotSpot JVM上使用Graal即时（JIT）编译器
    1. 作为预先编译（AOT）的本机可执行文件运行（本地镜像）。

GraalVM的多语言能力使得在单个应用程序中混合多种编程语言成为可能，同时消除了外部语言调用的成本。

1. 架构

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2. 安装

跨平台提供原生镜像原理：安装graalVM,native-image，然后通过native-image进行调用集成环境VisualStudio，打包成windows下的可执行程序。

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1. VisualStudio

官网：https://visualstudio.microsoft.com/zh-hans/free-developer-offers/

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img

别选中文

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记住你安装的地址；

2. GraalVM

1. 安装

下载 GraalVM + native-image

image.png

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2. 配置

修改 JAVA_HOME 与 Path，指向新bin路径

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img

验证JDK环境为GraalVM提供的即可：

img

3. 依赖

安装 native-image 依赖：

  1. 网络环境好：参考：https://www.graalvm.org/latest/reference-manual/native-image/#install-native-image
gu install native-image
  1. 网络不好，使用我们下载的离线jar;native-image-xxx.jar文件
gu install --file native-image-installable-svm-java17-windows-amd64-22.3.2.jar
4. 验证
native-image

image.png

3. 测试

1. 创建项目

  • 创建普通java项目。编写HelloWorld类；

    • 使用mvn clean package进行打包
    • 确认jar包是否可以执行java -jar xxx.jar
    • 可能需要给 MANIFEST.MF添加 Main-Class: 你的主类

2. 编译镜像

  • 编译为原生镜像（native-image）：使用native-tools终端

img

#从入口开始，编译整个jar
native-image -cp boot3-15-aot-common-1.0-SNAPSHOT.jar com.atguigu.MainApplication -o Haha

#编译某个类【必须有main入口方法，否则无法编译】
native-image -cp .\classes org.example.App

要把应用程序通过package打包之后，进入VisualStudio提供的x64 Native Tools，jar所在的文件夹下执行native-image -cp boot3-15-aot-common-1.0-SNAPSHOT.jar com.atguigu.MainApplication -o Haha。这个命令的com.atguigu.MainApplication表示入口，-o Haha表示生成的可执行文件名为Haha

3. Linux平台测试

    1. 安装gcc等环境
sudo yum install gcc glibc-devel zlib-devel
    1. 下载安装配置Linux下的GraalVM、native-image
    • 下载：https://www.graalvm.org/downloads/
    • 安装：GraalVM、native-image
    • 配置：JAVA环境变量为GraalVM
tar -zxvf graalvm-ce-java17-linux-amd64-22.3.2.tar.gz -C /opt/java/

sudo vim /etc/profile
#修改以下内容
export JAVA_HOME=/opt/java/graalvm-ce-java17-22.3.2
export PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin

source /etc/profile
    1. 安装native-image
gu install --file native-image-installable-svm-java17-linux-amd64-22.3.2.jar
    1. 使用native-image编译jar为原生程序
native-image -cp xxx.jar org.example.App

3. SpringBoot整合

image.png

1. 依赖导入

 <build>
     <plugins>
         <plugin>
             <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
             <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
         </plugin>
         <plugin>
             <groupId>org.springframework.boot</groupId>
             <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
         </plugin>
     </plugins>
</build>

2. 生成native-image

1、运行aot提前处理命令：mvn springboot:process-aot

2、运行native打包：mvn -Pnative native:build

# 推荐加上 -Pnative
mvn -Pnative native:build -f pom.xml

img

3. 常见问题

可能提示如下各种错误，无法构建原生镜像，需要配置环境变量；

  • 出现cl.exe找不到错误
  • 出现乱码
  • 提示no include path set
  • 提示fatal error LNK1104: cannot open file ‘LIBCMT.lib’
  • 提示 LINK : fatal error LNK1104: cannot open file ‘kernel32.lib’
  • 提示各种其他找不到

需要修改三个环境变量：Path、INCLUDE、lib

  • 1、 Path：添加如下值

    • C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\bin\Hostx64\x64

  • 2、新建INCLUDE环境变量：值为

C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\include;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\shared;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\ucrt;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\um;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\winrt

img

  • 3、新建lib环境变量：值为
C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\lib\x64;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\um\x64;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\ucrt\x64

clude\10.0.19041.0\um;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\winrt


[外链图片转存中...(img-RrpPlCvu-1703577786321)]

- 3、新建`lib`环境变量：值为

```latex
C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\lib\x64;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\um\x64;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\ucrt\x64

img

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